(57)【要約】【課題】回転軸心Ｏ回りのアンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａを各動翼２の質量Ｗｉおよび取付位置Ａｉに基いて算出することにより、周方向の質量分布を平均化するための動翼２の配列順を容易に決定することができるタービン動翼２の配列方法を提供する。【解決手段】  タービンのロータディスク１の外周に複数の動翼セグメント２Ｓを周方向に並べて装着する配列順を決定する方法であって、各動翼２の質量Ｗｉおよび取付位置Ａｉに基いてタービンの回転軸心Ｏ回りの前記質量のアンバランス量Ｗｉを算出し、すべての動翼２についてのアンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａと予め設定した目標値との誤差が許容範囲内となる配列位置に各動翼２を配列する。【選択図】図３
2007198265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンのロータディスクの外周に複数の動翼セグメントを周方向に並べて装着する配列順を決定する方法であって、
各動翼の質量および取付位置に基いてタービンの回転軸心回りの前記質量のアンバランス量を算出し、すべての動翼についてのアンバランス量の総和と予め設定した目標値との誤差が許容範囲内となる配列位置に各動翼を配列するタービン動翼の配列方法。
【請求項２】
請求項１において、ｎ個の動翼についてアンバランス量の総和の大きさ｜Ｗ｜を、各動翼の質量Ｗｉと、前記ロータディスクの周方向の基準位置に対する各動翼の取付位置の位相Ａｉに基づき、次式によって算出するタービン動翼の配列方法。
前記回転軸心を通り回転軸心と直交する水平軸および垂直軸を設定し、水平軸上に回転軸心回りの位相のゼロ点を設定し、
アンバランス量の位相π／２ｒａｄの方向の成分をａとし、
アンバランス量の位相０ｒａｄの方向の成分をｂとしたとき、
【数１】
2007198265.tif 000017
【数２】
2007198265.tif 000018
【請求項３】
請求項２において、アンバランス量の総和の位相Ａを、次式によって算出するタービン動翼の配列方法。
ｂ＞０のとき
【数３】
2007198265.tif 000019
ｂ＜０かつａ≧０のとき
【数４】
2007198265.tif 000020
ｂ＜０かつａ＜０のとき
【数５】
2007198265.tif 000021
ｂ=０かつａ＞０のとき
【数６】
2007198265.tif 000022
ｂ=０かつａ＜０のとき
【数７】
2007198265.tif 000023
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンのロータディスクの外周に複数の動翼セグメントを周方向に並べて装着する配列順を、回転軸心回りのアンバランス量に基づいて決定するタービン動翼の配列方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンのタービンのような、高速で回転するロータは、芯振れを抑制するために、周方向の質量分布を平均化する必要がある。そこで、従来、タービン動翼のロータディスクへの植込配列作業は、各動翼の質量を測定した後、図５のように、全体の質量を平均化するために、質量が大きい動翼から、１〜９，…の順に矢印で示すように、順次ロータディスクの円周上の相対向する位置（対角位置）へ配置して、回転軸心回りのアンバランス量を調整していた（例えば、特許文献１）。これは、動翼が鋳造などにより製造されるときに、質量に誤差が生じるからである。しかしながら、このような植込配列方法では、最適バランスの確保が容易でない。また、動翼の配列順によるバランス調整だけでなく、ロータディスクの一部を肉抜きしてバランス調整することもあり、局部的に肉抜きしたタービンロータに植え込まれた動翼を交換する場合、交換前と同じバランス状態を再現し、タービンロータ全体の振動特性を維持するような配列順を見つけ出すことは容易ではなかった。
【特許文献１】特開昭６０−２５６７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、本発明は、回転軸心回りのアンバランス量を各動翼の質量および取付位置に基いて算出することにより、周方向の質量分布を平均化するための動翼の配列順を容易に決定することができるタービン動翼の配列方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するために、本発明に係るタービン動翼の配列方法は、タービンのロータディスクの外周に複数の動翼セグメントを周方向に並べて装着する配列順を決定する方法であって、各動翼の質量および取付位置に基いてタービンの回転軸心回りの前記質量のアンバランス量を算出し、すべての動翼についてのアンバランス量の総和と予め設定した目標値との誤差が許容範囲内となる配列位置に各動翼を配列する。
【０００５】
上記構成によれば、動翼の配列順が各動翼の質量および取付位置に基いてタービンの回転軸心回りの質量のアンバランス量を算出し、すべての動翼についてのアンバランス量の総和と予め設定した目標値との誤差が許容範囲内となる配列位置に決定されるから、周方向の質量分布を平均化する動翼の配列順を容易に決定することができる。
【０００６】
本発明の好ましい態様によれば、ｎ個の動翼についてのアンバランス量の総和の大きさ｜Ｗ｜を、各動翼の質量Ｗｉと、前記ロータディスクの周方向の基準位置に対する各動翼の取付位置の位相Ａｉに基づき、次式によって算出する。
【０００７】
前記回転軸心を通り回転軸心と直交する水平軸および垂直軸を設定し、水平軸上に回転軸心回りの位相のゼロ点を設定し、
アンバランス質量の位相π／２ｒａｄ（ラジアン）の方向の成分をａとし、
アンバランス質量の位相０ｒａｄの方向の成分をｂとしたとき、
【０００８】
【数８】
2007198265.tif 000003
【０００９】
【数９】
2007198265.tif 000004
【００１０】
この構成によれば、測定した動翼の質量Ｗｉと取付位置の位相Ａｉにより、回転軸心を始点とするベクトル量であるアンバランス量について、アンバランス量の総和の大きさ｜Ｗ｜を正確に算出し、目標値との誤差が許容範囲内となる配列位置から動翼の配列順を決定することができる。
【００１１】
本発明の好ましい態様によれば、アンバランス量の総和の位相Ａを、次式によって算出する。
【００１２】
ｂ＞０のとき
【００１３】
【数１０】
2007198265.tif 000005
【００１４】
ｂ＜０かつａ≧０のとき
【００１５】
【数１１】
2007198265.tif 000006
【００１６】
ｂ＜０かつａ＜０のとき
【００１７】
【数１２】
2007198265.tif 000007
【００１８】
ｂ=０かつａ＞０のとき
【００１９】
【数１３】
2007198265.tif 000008
【００２０】
ｂ=０かつａ＜０のとき
【００２１】
【数１４】
2007198265.tif 000009
【００２２】
この構成によれば、例えば、動翼を交換する場合、動翼について交換前にアンバランス量の総和の大きさ｜Ｗ｜および位相Ａを算出して、交換後のアンバランス量の総和の大きさ｜Ｗ｜および位相Ａの前記目標値とすることで、質量および位相の両方について、交換前と同じバランス状態を再現し、タービンロータ全体の振動特性を交換前と同一に維持するような配列順を容易に見出すことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係るタービン動翼の配列方法によれば、各動翼の質量および取付位置に基いてタービンの回転軸心回りの質量のアンバランス量を算出し、すべての動翼についてのアンバランス量の総和と予め設定した目標値との誤差が許容範囲内となる配列位置から動翼の配列順を容易に決定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すタービンロータＴは、ガスタービンエンジンに用いられる。ガスタービンエンジンは、空気を圧縮する圧縮機、圧縮機からの圧縮空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器、および燃焼器からの高温、高圧の燃焼ガスにより駆動されるタービンを備えている。前記タービンの回転部に図１のタービンロータＴが使用される。このタービンロータＴは、金属製のロータディスク１の外周にセラミック製の動翼２を植設したものである。
【００２５】
動翼２は、図２の正面図のように、複数の動翼セグメント２Ｓをロータディスク１の周方向に並べたものである。動翼セグメント２Ｓは、燃焼ガスの通路５（図１）に配置される動翼部２１と、これの基部側に台座部２２を介して一体に設けられた係合部２３とを有する。係合部２３は、その周方向両側に膨出する膨出部２３ａを有するダブテール型である。一方、ロータディスク１の外周部分には、外周面１０から凹入して前記係合部２３を受け入れる係合凹所１１が軸方向に貫通して形成されており、この係合凹所１１に係合部２３を軸方向にスライドさせて嵌め込むことにより、前記動翼セグメント２Ｓをロータディスク１の外周に周方向に等間隔に並べて取り付けている。
【００２６】
本実施形態に係るタービン動翼２の配列方法では、図３に示すように、ロータディスク１の外周にｎ個の動翼セグメント２Ｓが等間隔に配列される。すべての動翼セグメント２Ｓについて、ロータディスク１の半径方向における重心の位置、つまり回転軸心Ｏから重心までの距離は、同一と仮定している。ロータディスク１において、上流側から見て回転軸心Ｏを原点とし、この回転軸心Ｏを通り回転軸心Ｏと直交する水平軸および垂直軸を設定し、水平軸上に回転軸心Ｏ回りの位相Ａｉのゼロ点を設定して、取付位置の位相（角度）Ａ１＝０ｒａｄ（ラジアン）とし、周方向の基準位置とする。この基準位置に１個目の動翼セグメント２Ｓを配列する。残りｎ−１個の動翼セグメント２Ｓの配列位置は、前記基準位置から回転軸心Ｏに対して反時計回りに、２個目、３個目、…、ｎ個目となるように等間隔に設定されている。
【００２７】
アンバランス量Ｗはベクトル値であり、各動翼セグメント２Ｓによる質量のアンバランス量Ｗｉは、動翼セグメント２Ｓの質量Ｗｉおよびその取付位置の位相Ａｉで表され、この総和がタービンロータＴ全体のアンバランス量Ｗとなる。ｎ個の動翼セグメント２Ｓについて、アンバランス量の総和の大きさ（質量アンバランス）｜Ｗ｜およびアンバランス量の総和の位相（位相アンバランス）Ａは、各動翼の質量Ｗｉと、前記ロータディスク１の周方向の基準位置に対する各動翼の取付位置の位相Ａｉとしたとき、次式によって算出される。
【００２８】
前記回転軸心を通り回転軸心と直交する水平軸および垂直軸を設定し、水平軸上に回転軸心回りの位相のゼロ点を設定し、
アンバランス質量の位相π／２ｒａｄの方向の成分をａとし、
アンバランス質量の位相０ｒａｄの方向の成分をｂとしたとき、
【００２９】
【数１５】
2007198265.tif 000010
【００３０】
【数１６】
2007198265.tif 000011
【００３１】
ここで、アンバランス量の総和の位相Ａを、Ａ＝ｆ（ａ，ｂ）＝ｔａｎ−１（ａ／ｂ）によって求める。この逆三角関数であるＡ＝ｔａｎ−１（ａ／ｂ）（アークタンジェント）は、−πｒａｄ＜Ａ≦＋πｒａｄの値を取り得る関数である。しかし、実際の計算では、位相Ａは−π／２ｒａｄ＜Ａ＝ｔａｎ−１（ａ／ｂ）≦＋π／２ｒａｄの範囲の値しか返さないことと、分母ｂ＝０のときに位相Ａが定義されないことから、次式のように、ａとｂの符号で５つの場合分けを行って、位相Ａを求める。
【００３２】
ｂ＞０のとき
【００３３】
【数１７】
2007198265.tif 000012
【００３４】
ｂ＜０かつａ≧０のとき
【００３５】
【数１８】
2007198265.tif 000013
【００３６】
ｂ＜０かつａ＜０のとき
【００３７】
【数１９】
2007198265.tif 000014
【００３８】
ｂ=０かつａ＞０のとき
【００３９】
【数２０】
2007198265.tif 000015
【００４０】
ｂ=０かつａ＜０のとき
【００４１】
【数２１】
2007198265.tif 000016
【００４２】
Ａは、アンバランス量の総和の位相である。アンバランス量の総和は、｜Ｗ｜の長さと角度（位相）Ａを持つベクトルＷで表される。算出されたアンバランス量の総和の大きさ｜Ｗ｜および位相Ａが、予め設定したそれぞれの目標値との誤差が許容範囲内となる配列位置に、各動翼セグメント２Ｓを配列する。
【００４３】
このようなアンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａの計算はコンピュータを利用して行われる。例えば、ＶＢＡ（Visual Basic for Applications）のような言語で植翼順最適化プログラムが作成される。また、ＥＸＣＥＬのような表計算ソフトウェアを利用すれば、動翼２の質量Ｗｉのようなデータの入力が容易になる。
【００４４】
動翼２の配列の最適化はつぎのようにして行われる。まず、作業者によって任意の順序で各動翼２の質量Ｗｉが入力される。入力された質量Ｗｉを大きいものから順に、予め定めた第１の配列パターン（例えば図５の従来例のパターン）で配列し、アンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａを算出する。算出したアンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａを目標値と比較し、目標値との誤差が許容範囲外である場合、予め定めた第２のパターン、例えば、予め定めた１つの動翼２と他の１つとの配列位置を交換して、アンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａを算出し、目標値と比較する。目標値との誤差が許容範囲内になれば計算を終了する。依然として目標値との誤差が許容範囲外である場合、さらに、第３のパターンとして、前記予め定めた動翼２と、第２のパターンとは異なる他の動翼２との配列位置を交換して、再度、アンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａを算出し、目標値と比較する。
【００４５】
次に、前記植翼最適順決定プログラムの使用方法について説明する。
初めに作業者は、コンピュータにロータディスク１に組付けられる各動翼２の情報、アンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａの目標値、誤差許容範囲（許容値）、計算回数およびタービンロータＴの情報をそれぞれ入力する。動翼２の情報として、動翼セグメント２Ｓの識別情報ＩＤおよび製造工程を表すシリアルナンバーＳ／Ｎが質量Ｗｉとともに入力される。動翼セグメント２Ｓの質量Ｗｉは１／１０ｇ単位まで測定する。入力される動翼２の情報は取付位置の位相Ａｉに対して任意の配列順で入力される。例えば、動翼２の取付個数ｎを４５個とする場合、１〜４５個目までの任意の取付位置の位相Ａｉに対応させて動翼２の情報を入力する。
【００４６】
アンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａの目標値および誤差許容範囲（許容値）を入力する。目標値は、新造品の場合、回転軸心Ｏと一致するようにアンバランス量の総和の大きさ｜Ｗ｜を０ｇと設定し、アンバランス量の総和の位相Ａは指定なしとする。タービンロータＴの保守にあたって、動翼２を交換する場合は、交換前のバランスを維持するために、交換前のアンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａをメモリーに記憶しておく。これにより、交換前のアンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａが交換の際の目標値となる。許容値は、例えば、アンバランス量の総和の大きさ｜Ｗ｜について±１ｇ、アンバランス量の総和の位相Ａについて±１ｄｅｇ（π／１８０ｒａｄ）とする。
【００４７】
つぎに、配列の入れ替え回数である計算回数を入力する。また、タービンロータＴの情報として、取り付けられるタービン本体の製品番号、タービンロータＴの製品番号、および新造品または交換のような情報を入力する。
【００４８】
必要なデータの入力が完了すると、作業者は植翼順最適化プログラムを開始させる。入力したデータに基づいて上述の植翼順最適化プログラムが始動し、上述した計算式に基づくアンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａの計算および目標値との比較が行われる。新造品の場合は、アンバランス量の総和の位相Ａの計算および目標値との比較は行われない。
【００４９】
すなわち、入力された質量Ｗｉを大きいものから順に、予め定めた第１の配列パターン（例えば図５の従来例のパターン）で配列し、アンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａを算出する。算出したアンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａを目標値と比較し、目標値との誤差が許容範囲外である場合、交換対象として予め定めた１つの動翼２、例えば図３における１番目の動翼２と、他の１つとの配列位置を交換して（１回目の並び替え）、アンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａを算出し、目標値と比較する。目標値との誤差が許容範囲内になれば計算を終了する。依然として目標値との誤差が許容範囲外である場合、さらに、前記１番目の動翼２と、２回目とは異なる他の動翼２との配列位置を交換して（２回目の並び替え）、再度、アンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａを算出し、目標値と比較する。このようにして、アンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａと目標値との誤差が許容範囲内になるまで、前記入力された計算回数にわたり、配列順を並び替えて計算する。
【００５０】
植翼順最適化プログラムが計算を終了すると、アンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａと目標値との誤差が許容範囲内となる配列位置に対応するように動翼２の情報が並び替えられた配列順がコンピュータの表示画面に出力される。出力された計算結果に基づいて、作業者は動翼２の識別情報ＩＤを確認しながら、ロータディスク１に算出された配列順に植え込み作業を行う。
【００５１】
各取付位置の位相Ａｉでのアンバランス量（動翼の質量）Ｗｉを例えば図４に示すような円グラフにしてコンピュータの表示画面上に出力することができる。アンバランス量を円グラフにすることにより、全体のバランスを一見して把握することができる。特に、極端に質量の大きな動翼セグメント２Ｓが含まれている場合に容易に気付くことができる。また、アンバランス量の総和の大きさ｜Ｗ｜、およびその位相Ａを表示し、許容誤差範囲も合わせて表示することにより、許容値の範囲内であるか否かを一見して把握することができる。
【００５２】
以上のとおり、本発明に係るタービン動翼２の配列方法によれば、各動翼２の質量Ｗｉおよび取付位置Ａｉに基いて回転軸心Ｏ回りのアンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａを算出し、すべての動翼２についてのアンバランス量の総和｜Ｗ｜，Ａと予め設定した目標値との誤差が許容範囲内となる配列位置から動翼２の配列順を容易に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係るタービン動翼の配列方法により動翼が取り付けられたタービンロータの縦断面図である。
【図２】同タービンロータの要部を示す正面図である。
【図３】本発明に係るタービン動翼の配列方法を説明する模式図である。
【図４】同タービン動翼の配列方法により決定された各取付位置の位相での質量のアンバランス量を示す円グラフである。
【図５】従来のタービン動翼の配列方法を表す模式図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  ロータディスク
２  動翼
２Ｓ  動翼セグメント
Ｔ  タービンロータ
Ｗ  アンバランス量
Ｗｉ  質量のアンバランス量（各動翼の質量）
｜Ｗ｜  アンバランス量の総和の大きさ
Ａｉ  各動翼の取付位置の位相
Ａ  アンバランス量の総和の位相
【図１】
2007198265.tif 000024
【図２】
2007198265.tif 000025
【図３】
2007198265.tif 000026
【図４】
2007198265.tif 000027
【図５】
2007198265.tif 000028